海上天然氣生產井油管尺寸速查圖版的建立

孫 明，管虹翔

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459）

1 概述

隨著海上油氣田的開發，海上天然氣生產油田逐漸增多，截止到2019年底，海上天然氣產量已超過到了海上油氣田產能的40%，并且隨著越來越多的海上大型天然氣田的逐漸投入開發，天然氣產量在我國海上能源總產量中占的比例會逐年增多。

對于海上天然氣田，由于各氣源之間沒有聯網，調峰能力弱，并且開發投資高，天然氣井在穩產期與產量遞減后期的產量往往存在巨大的差異，加大了油管尺寸的選擇難度。氣井的油管選擇，需要綜合考慮流程所需要的井口壓力、油管的沖蝕、生產后期攜液等因素，在設計過程中需要進行大量的計算及煩瑣的方案比較。同時，天然氣的體積、密度遵循氣體狀態方程，需要考慮壓力、溫度、水氣比的影響，其計算是煩瑣而復雜的。

《海上油氣田完井手冊》中的油管選擇圖表中僅考慮磨阻因素給出了不同油管適用的最大產液量與最大產氣量，對于氣井，因為天然氣的可壓縮性，其體積受壓力與溫度影響，因此不考慮壓力與溫度因素籠統地講最大產量是不科學的。

天然氣井的計算過程中，沖蝕因素影響的是氣井生產的最高產量，攜液因素影響的是氣井穩定生產的最低產量。因此，本文在考率天然氣狀態方程的基礎上，重點考慮沖蝕與攜液工況，繪制了海上天然氣井油管尺寸選擇速查圖版，以簡化天然氣井的油管選擇計算，為天然氣田的快速評價提供基礎。

2 氣井油管適用的最大與最小產量

2.1 氣體狀態方程

由于氣體的可壓縮性，天然氣生產井沿井筒剖面各處其壓力、密度、流速是不相同的，增加了天然氣井計算的難度。天然氣的壓縮特性遵循氣體狀態方程，因此氣體狀態方程是天然氣井計算的基礎方程，其表達式為：

式中：

p1為標況下的壓力，近似為0.1MPa；

V1為標況下的氣體體積，m3；

T1為標況下的大氣溫度，近似291K；

Z1為標況下的天然氣壓縮因子，無量綱；

p2為計算工況下的壓力，MPa；

V2為計算工況下的氣體體積，m3；

T2為計算工況下的大氣溫度，K；

Z2為計算工況下的天然氣壓縮因子，無量綱；

n為物質的量，mol；

R為氣體常數，為8.31J/（mol·K）。利用氣體狀態方程，可以根據標況下的井口產氣量計算天然氣在不同工況下的體積與密度。

2.2 氣井油管適用最大產量計算

沖蝕流速是油管安全性的一個重要因素。對于天然氣井油管來講，其最大產量主要受制約于沖蝕，因此達到沖蝕臨界的產量也就是氣井油管所能適用的最大產量，沖蝕流速計算公式如下：

式中：

Ve為沖蝕流速，m/s；

ρho為流體混合密度，kg/m3；

K為經驗系數，碳鋼推薦100，防腐管材可放寬至不超過200。

從式（2）可以看出，氣井的沖蝕流速僅與井筒流體的密度有關，流體的密度越大，所允許的流速越低。而天然氣井的井流物密度，與其所處位置壓力、溫度、水氣比均有關系，根據氣體狀態方程，考慮氣井產水量后，氣井油管適用最大產量公式為：

式中：

ρgs為標準工況下天然氣密度，kg/m3；

ρl為地層水密度，kg/m3；

f為水氣比，m3/m3；

Qmax為氣井油管適用最大產氣量，m3/d；

r為油管內徑，m。

2.3 氣井油管適用最小產量計算

隨著氣井產氣量的降低，氣井油管中氣體流速逐漸降低，隨之會發生積液現象，導致氣井因積液而停產。因此，氣井油管適用的最小產量要能夠滿足氣井的攜液需求，保證氣井不發生積液。

當氣產量較低時，氣相流速不能使井筒中液體連續流出井口時，氣井中將出現積液，此時氣體的最低流速稱氣井臨界攜液流速，對應的流量稱為氣井臨界攜液流量。

氣井攜液的理論基礎是液滴在流動天然氣中的懸浮與受力，目前臨界攜液流速計算方法有很多，本文選用李閩模型進行計算，其計算公式為：

式中，

σ為界面張力N/m。

利用氣體狀態方程，可以根據標況下的井口產氣量計算天然氣在不同工況下的密度，將其帶入公式，可得到氣井油管適用最小產量公式：

式中：

Qmin為氣井油管適用最小產氣量，m3/d；

ρg為計算工況下天然氣密度，kg/m3。

3 速查圖版的建立

利用公式（3）與公式（5）進行計算，假設一定的水氣比與溫度將曲線繪制在一張圖上，就可得到氣井油管尺寸速查圖版。如圖1～圖3所示。

4 速查圖版的應用案例

海上油田某天然氣田某井，單井產氣量在2×104～70×104m3/d，井底壓力在5.246.7MPa，地層溫度133 ～142℃，水氣比0.00006m3/m3，該井產氣量及地層壓力變化范圍極大，油管尺寸選擇難度較大。利用傳統方法計算，需要建模綜合分析后方可做出選擇，工作量較大，而《海上油氣田完井手冊》中油管尺寸推薦表在該井這么大的變化范圍下，是無法進行推薦的。

圖1 氣井油管尺寸速查圖版（K為100，氣水比10 000，溫度100℃）

圖2 氣井油管尺寸速查圖版（K為100，氣水比5 000，溫度100℃）

圖3 氣井油管尺寸速查圖版（K為150，氣水比10 000，溫度100℃）

因該為井組分含CO2，會選擇防腐管材，因此圖版選擇圖3所示圖版（K為150，氣水比10 000，溫度100℃）。

使用時，將配產中的逐年日產氣量、井底流壓繪制于圖版中（圖中紅色標志點），從圖中可以看出滿足該井配產最低與最高產量的角度，推薦該井選用3-1/2”油管。

利用多相管流軟件進行計算后，得到了該井的井口壓力數據，將其繪制于圖上（圖中黑色標志點），可以看出經過油管的摩擦降壓，在井口處因體積膨脹，選用2-7/8”油管在某些年份會發生沖蝕。而所選用的3-1/2”油管，在所有年份均在安全使用范圍以內，如圖4所示。

圖4 海上油田某氣井油管尺寸選擇案例

5 結論

1）因天然氣的可壓縮性，因此對于不同壓力系統下的氣井，應考慮壓力對產量的影響。

2）天然氣井油管適用的最大與最小產氣量，均取決于實際流速，因此開發方案設計中，應重點關注流速的影響。

3）本文圖版是基于天然氣壓縮因子不變建立的，會產生一定的誤差，如需精確計算，可利用天然氣組分計算天然氣壓縮因子重新繪制圖版，增加精確性。

4）本文建立的氣井油管尺寸速查圖版，可以在給定條件下快速選擇氣井油管尺寸，可以用于天然氣井的初步設計。